권*표 교수님

열역학 제 2법칙은 매우 중요하면서도 개념적으로 이해하기가 매우 까다로운 부분입니다.
질문하신 학생분께서 말씀하신 내용이 틀리다고 할 수는 없지만 Kelvin-Planck Statement에서는 그런 관점에서 얘기하는 것은 아닙니다.
제가 강의에 최대한 자세히 잘 설명했던 것으로 알기 때문에 꼭 몇 번이고 강의를 보시길 먼저 권장합니다.

 

1) 간단히 설명 드리자면, Kelvin-Planck Statement 에서는 하나의 열원에서 작동하는 사이클기관은 일을 만들 수가 없다는 것이고
순일을 발생시킬 수 없기 때문에  Wcycle이 0 또는 0 이하가 되는 것입니다. 0 이하라고만 하면 되지만 0이 될수도 있다는 가능성까지 배제하지 않은 것 같습니다.

 

2) 이제 왜 0보다 작게 나오는지에 대해 아셔야겠죠? 물론 강의에서 제가 자세히 설명드렸습니다. 같은 고온열원에서 운동하는 비가역사이클 하나,
가역사이클 하나가 있다고 가정합니다. 가역사이클은 고온에서 열을 받아 저열원으로 열을 내뿜고, 나머지 차이에 대한 일을 하게 됩니다. 이 때 이를 반대로 운동시킵니다.
마치 열펌프처럼요. 가역기관이기에 Wrev=QH-QC만큼의 일을 반대로 주면 저열원에서 QC를 뽑아 고열원으로 QH를 주겠죠. 이 QH를 바로 옆에 있는 비가역기관에 제공합니다.
그러면 비가역기관은 그 QH를 받아서 저열원에 QC를 주고 그 차이만큼의 일을 하게 되겠죠. 이 일은 비가역기관에 의해서 일어난 일이기 때문에 Wirrev 라고 할 수 있습니다.
여기서 가역기관+비가역기관+고열원을 합칩니다. 그러면 하나의 저열원에서 운행하는 단 하나의 사이클이 만들어지겠죠.
이 하나의 사이클은 W=Wirrev-Wrev만큼의 순일을 할 것으로 기대합니다. 그런데 열역학 법칙에 의해서 Reversible Process를 가지는
가역기관은 Irreversible Process를 가지는 비가역기관보다 효율이 높겠죠? 그러면 Wirrev보다 Wrev이 크겠죠? 그러면 우리가 하나의 사이클이라고
가정한 하나의 열원에서 운행하는 사이클의 순일(W=Wirrev-Wrev)은 음수가 됩니다. 결국  Wcycle<0 이 증명되지요.

잘 이해되셨기를 바라면서, 아직도 이해가 안가셨다면 강의를 다시 보시고 가역/비가역, 하나의 열원, Kelvin-Planck Statement 등을 다시 공부해보시길 바랍니다.
참고로 대학교 원서만 봐도 다 나오는 얘기이고, 심지어 위키피디아에도 상세히 설명되어 있습니다.
어려운 개념이지만 스스로 공부하여 이해하지 않으면 결코 자기 것이 될 수 없음을 잊지 마시고 질문을 하시기 보단 혼자서 해결하시는 연습을 자꾸 해보시길 권장드립니다.
도움이 되셨기를 바라면서 열심히 공부하시길 바랍니다. 감사합니다. 

• 2016-10-17
• 2024-12-12 수정